提高焊接接頭疲勞性能的研究進展和最新技術(shù)

1 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題以及研究意義
　　1.1 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題
　　自從20世紀(jì)初涂藥焊條發(fā)明至今一百年來，焊接已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的工藝方法，很難找出另一種發(fā)展如此之快，并在應(yīng)用規(guī)模和多樣化方面能與焊接相比的工藝，以至于當(dāng)代許多最重要的技術(shù)問題必須采用焊接才能解決，例如：造船、鐵路、汽車、航空、航天、橋梁、鍋爐、大型廠房和高層建筑等都離不開焊接技術(shù)的支持。
如果焊接沒有發(fā)明的話，許多結(jié)構(gòu)甚至坦率的說整個工業(yè)是不會產(chǎn)生的。毋庸置疑，目前在工程生產(chǎn)上，焊接是最主要的連接方法，焊接結(jié)構(gòu)的重量已占鋼鐵總產(chǎn)量的50%以上，工業(yè)發(fā)達國家的這一比例已經(jīng)接近70%。然而焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常不斷發(fā)生斷裂事故，其中90%為疲勞失效。
　　疲勞破壞一直被認(rèn)為是船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)的一種主要的破壞形式，自鋼質(zhì)海船誕生至今，因結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的生成、擴展，最后導(dǎo)致船舶破壞的事例屢有報道。美國海岸警衛(wèi)隊船舶結(jié)構(gòu)委員會（Ship Structure Committee, U.S.Coast Guard）曾組織力量對六種不同類型的77艘民用船舶及9艘軍艦中六十多萬個結(jié)構(gòu)細(xì)部進行了調(diào)查研究和統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，有約九分之一的破壞與疲勞有關(guān)。歷史上海洋平臺的幾次重大事故，如1965年日本為美國建造的Sedco型半潛式平臺在交貨途中破損沉沒，造成13人死亡；1980年Alexan—derKeyland號半潛式平臺在北海翻沉，使一百余人葬身海底，調(diào)查分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的疲勞是造成事故的重要原因之一。
　　同樣，疲勞失效也頻繁發(fā)生在鐵路公路橋梁和發(fā)電站的管道上。在五六十年代，歐洲公路網(wǎng)得到高速發(fā)展，當(dāng)時大多采用焊接技術(shù)建造鋼橋，由于那時對公路橋梁疲勞認(rèn)識不足，在規(guī)范中沒有規(guī)定進行抗疲勞設(shè)計，出現(xiàn)了許多設(shè)計不合理的焊接接頭，在今天日益繁忙和加重的交通運輸載荷下，加快了疲勞損傷過程，許多焊接鋼橋出現(xiàn)了疲勞裂紋。
　　在我國焊接結(jié)構(gòu)因疲勞問題而失效的工程事例也不斷出現(xiàn)，例如，九十年代末，高速客車轉(zhuǎn)向架中焊接接頭的疲勞斷裂，以及水輪機葉片根部的疲勞斷裂等，都給國家和企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失。
　　1.2 焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因
　　焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因主要有以下幾個方面：① 客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系。這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；② 早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計以靜載強度設(shè)計為主，沒有考慮抗疲勞設(shè)計，或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范并不完善，以至于出現(xiàn)了許多現(xiàn)在看來設(shè)計不合理的焊接接頭；③ 工程設(shè)計技術(shù)人員對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點了解不夠，所設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其它金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式；④ 焊接結(jié)構(gòu)日益廣泛，而在設(shè)計和制造過程中人為盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷越來越大； ⑤ 焊接結(jié)構(gòu)有往高速重載方向發(fā)展的趨勢，對焊接結(jié)構(gòu)承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度方面的科研水平相對滯后。